JP2001210644A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置及び半導体装置の製造方法Info
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Abstract
る。 【解決手段】Si基板11上のシリコン酸化膜14に溝
16を形成する工程と、シリコン酸化膜14の表面に沿
ってTaN膜17及びCu配線材18を堆積する工程
と、Cu配線材18及びTaN膜17の表面に対して、
シリコン酸化膜14が露出するまで平坦化処理を行い、
溝16内にTaN膜17及びCuダマシン配線18を埋
め込み形成する工程と、Cuと反応する過酸化水素と、
Cuのイオンと錯体を形成するグリシンと、前記錯体を
溶解する水とを含むエッチング溶液を用いてCuダマシ
ン配線18に対してリセスエッチング処理を行って、C
uダマシン配線18の表面を後退させて凹部19を形成
する工程と、Cuダマシン配線18及びシリコン酸化膜
14上に凹部19を埋め込むようにTaN膜20を形成
する工程と、TaN膜20の表面を、シリコン酸化膜1
4の表面が露出するまで平坦化し、凹部20にTaN膜
20を形成する工程とを含む。
Description
わり、特に配線層の全面をバリアメタルで覆った半導体
装置及びその製造方法に関する。
ーとなるため、層間絶縁膜中へのCuの拡散を抑えるた
めにバリアメタル層を形成することが必須である。それ
に加え、配線層上部のバリア層にはプロセス中に、Cu
配線表面が酸化されることを防止する機能が要求され
る。
は、シリコン窒化膜が用いられてきたが、誘電率が高い
ために配線間容量を増大させてしまうという問題があっ
た。
面に、配線の側面や底面に用いられているバリアメタル
層と同じ、或いは同等のバリアメタル層を形成して配線
の全面を完全に包囲することが提案されている。この構
造の形成方法としては、Cuダマシン配線を形成した
後、Cu配線の表面を周囲の層間絶縁膜表面より後退さ
せる、いわゆるリセスエッチングを行い、その後にウェ
ハ全面にバリアメタル層材を成膜した後CMPにより配
線上にのみバリアメタル層を残存させる方法が提案され
ている。
等を用いた場合には、バリア層とCu層との界面におい
てエッチングが速く進行することによりCu配線の側壁
部が中心部よりリセス量が大きくなることや、ウェハ内
でリセス量の場所依存性や、パターン依存性等が顕著で
あることが判明した。この結果、その後のバリア層の成
膜工程においてCu配線の側壁部のバリア層のカバレッ
ジが充分得られず、プロセス中にCu配線の酸化、Cu
の拡散が生じ歩留まりが低下してしまうという問題があ
った。また、ウェハ面内やパターン間で配線抵抗が異な
ること等により所望の性能が得られないという問題があ
った。
配線のリセスエッチングに酸等を用いた場合には、Cu
配線の側壁部が中心部よりリセスエッチング量が大きく
なり、その後のバリア層の成膜工程においてCu配線の
側壁部でのバリア層のカバレッジが充分得られず、プロ
セス中にCu配線の酸化、Cuの拡散が生じ、歩留まり
が低下してしまうという問題があった。また、ウェハ内
でリセス量の場所依存性や、パターン依存性等が顕著で
あり、ウェハ面内やパターン間で配線抵抗が異なること
等により所望の性能が得られないという問題があった。
一にリセスエッチングし、歩留まりの向上を図り得る半
導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。
目的を達成するために以下のように構成されている。
は、半導体基板上に形成された溝を有する絶縁層と、こ
の絶縁層の溝の表面に沿って形成された第1のバリアメ
タル層と、前記絶縁層の溝内に形成され、表面が該絶縁
層より低い配線層と、この配線層上に形成された第2の
バリアメタル層とを具備し、前記溝側部における前記C
u配線と第1のバリアメタル層とのなす角が60゜以上
であることを特徴とする。
前記配線層を構成する主元素は、Cu、Ag、Au,P
tの何れかであること。
製造方法は、半導体基板上の絶縁層に溝を形成する工程
と、前記絶縁層の表面に沿って第1のバリアメタル層材
を形成する工程と、前記絶縁層上に、前記溝内を埋め込
むように、配線材を堆積する工程と、前記配線材の表面
に対して平坦化処理を行い、前記溝内に第1のバリアメ
タル層及び配線層を埋め込み形成する工程と、前記配線
層を構成する主元素と反応する酸化剤と、前記配線層を
構成する主元素のイオンと錯体を形成する錯体形成剤
と、前記錯体を溶解する溶媒とを含むエッチング溶液を
用いて該配線層に対してリセスエッチング処理を行っ
て、該配線材の表面を後退させて凹部を形成する工程
と、前記配線材及び絶縁層上に前記凹部を埋め込むよう
に第2のバリアメタル層材を形成する工程と、第2のバ
リアメタル層材の表面を、前記絶縁層の表面が露出する
まで平坦化し、前記凹部に前記第2のバリアメタル層を
形成する工程とを含むことを特徴とする。
前記酸化剤が、過酸化水素水、過硫酸アンモニウム、オ
ゾン水の中から1種類以上選ばれていること。前記錯体
形成剤が、アミノ酸,エチレンジアミン,エチレンジア
ミン四酢酸、アミノスルホン酸のなから1種類以上選ば
れていること。前記アミノ酸がグリシンであること。前
記溶媒が水であること。前記リセスエッチング処理は、
前記平坦化処理を行う平坦化装置内で連続して行われる
こと。前記リセスエッチング処理は、前記平坦化処理後
に行われる洗浄工程での処理槽にて行われること。
の作用・効果を有する。配線層を構成する湯元素の酸化
剤と、配線層を構成する主元素のイオンと錯体を形成す
る錯体形成剤と、錯体を溶解する溶媒とを含むエッチン
グ溶液を用いて該配線層に対してリセスエッチング処理
を行うことにより、酸化剤と配線層の主構成元素との
反応により該主構成元素がイオン化、イオン化した主
構成元素と錯体形成剤との反応により主構成元素の錯体
が形成、形成された錯体が溶媒により溶解除去、の三
つの工程が同時に進行することによりリセスエッチング
が配線層の表面から均一に進行と共に、ウェハ内でリセ
ス量の場所依存性や、パターン依存性等が無くなる。
に行われることにより、配線層の側壁部の第2のバリア
メタル層のカバレッジが充分得られ、プロセス中に配線
層の酸化、配線層の拡散が抑制されて歩留まりの低下を
抑制することができる。また、ウェハ内でリセス量の場
所依存性や、パターン依存性等が無いので、ウェハ面内
やパターン間で配線抵抗が異なることがなく、所望の性
能が得られる。
を参照して説明する。
の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断
面図である。
11上に熱酸化膜12を100nm形成した後、CVD
法によりシリコン窒化膜13を30nm、CVD法によ
りシリコン酸化膜14を400nm堆積する。
ン酸化膜14上に、リソグラフィ法により開口部を有す
るレジスト膜15を形成した後、シリコン酸化膜14を
選択的にエッチングして、溝16を形成する。溝16の
パターンは、深さ400nm、折り返して長さ3mにわ
たって形成されている。
ト膜15を除去した後、スパッタリング法により膜厚2
0nmのTaN膜(第1のバリアメタル層材)17、膜
厚200nmのCu膜を堆積した後、硫酸銅を用いた電
解メッキ法によりさらにCu膜の形成を行って、溝16
内を埋め込むようにCu配線材18を堆積する。次い
で、図1(d)に示すように、TaN膜17をエッチン
グストッパに用いて、Cu配線材18の表面に対してC
MP処理を行う。次いで、図1(e)に示すように、シ
リコン酸化膜14の表面が露出するまで、Cu配線材1
8及びTaN膜17に対してCMP処理を行って、溝1
6内にCuダマシン配線18及びTaN膜(第1のバリ
アメタル層)17を埋め込み形成する。
マシン配線18のリセスエッチング処理を行い、凹部1
9を形成する。Cuダマシン配線18に対するリセスエ
ッチング処理は、スピンエッチャ装置によりSi基板1
1を高速回転させながら、溶媒である純水1000cc
に対して、酸化剤である過酸化水素が溶媒である水に希
釈された35%過酸化水素水20cc、及び錯体形成剤
であるグリシン1gを溶解させたエッチング溶液をCu
ダマシン配線18側の面に50秒間供給して行う。リセ
スエッチング処理後、同様にSi基板を高速回転させな
がら純水を5分間供給してリンス処理、乾燥処理を順次
行う。
体形成剤)と過酸化水素水(酸化剤+溶媒)との混合し
たエッチング液を供給してリセスエッチング処理を行う
ことにより、酸化剤である過酸化水素とCuダマシン
配線を構成するCuとの反応により配線層の表面がイオ
ン化、イオン化したCuダマシン配線表面と錯体形成
剤であるグリシンとの反応によりCuの錯体が形成、
形成されたCuの錯体が溶媒である水により溶解除去、
の三つの工程が同時に進行することによりエッチングが
Cuダマシン配線の表面から均一に進行する。
エッチング処理によって形成された凹部19を埋め込む
ように、第2のTaN膜(第2のバリアメタル層材)2
0を堆積する。次いで、図1(h)に示すように、第2
のTaN膜20に対して、シリコン酸化膜14が露出す
るまでCMP処理を行い、凹部19内に第2のTaN膜
20(第2のバリアメタル層)を埋め込み形成する。
タルであるTaN膜に覆われたCuダマシン配線を形成
することができる。上述した製造工程を用いて多層配線
を形成することによりリセスエッチングがCuダマシン
配線18の表面から均一に行われることにより、Cuダ
マシン配線18の側壁部のTaN膜20のカバレッジが
充分得られ、プロセス中にCuダマシン配線18の酸
化、Cuダマシン配線18を構成するCuの拡散が抑制
されて歩留まりの低下を抑制することができる。また、
ウェハ内でリセス量の場所依存性や、パターン依存性等
が無いので、ウェハ面内やパターン間で配線抵抗が異な
ることがなく、所望の性能が得られる。
鏡写真を図2に示す。図2に示すように、Cuダマシン
配線18の側部での落ち込みが無く、均一にリセスエッ
チング処理が行われている。
その結果を図3に示す。図3において、横軸は、リセス
エッチング処理後に残存した配線の分率を示している。
ウェハ内でのリセス量分布を求めるため、CMP処理後
の配線抵抗とリセスエッチング処理後の配線抵抗とをそ
れぞれプローブにより測定し、リセスエッチング処理後
の抵抗上昇が表面から均一に配線がエッチングされてい
るものとして残存配線量を見積もった。
に対し、L/S=0.2μm/0.2μm、0.5μm
/0.5μm、及び孤立配線の0.2〜10μmにおい
ても残存した配線の分率の分布の中心はほぼ0.85で
あった。この値は、本実施形態で用いている配線深さ4
00nmから換算すると、60nmのリセスエッチング
量に相当する。
線のリセスエッチング処理を行った結果を図4に示す。
図4に示すように、ウェハ内の分布が大きいことに加え
て、孤立0.2μm配線のリセスエッチング量が他のパ
ターンに比べて大きくなっており、パターン依存性が大
きいことが分かる。
よるCu配線酸化耐性との関係を調べるため、エッチン
グ溶液を各種変化させてリセスエッチングを行った。断
面SEM写真から図5に示すようにリセスエッチングさ
れたCu配線表面と側壁とのなす角θを求めて接触角と
し、断面形状の評価指標とした。これらと同条件で作成
したウェハ上にスパッタリング法により全面にTaN膜
を50nm形成した後、CMP処理によりCu配線上に
のみTaN膜を残した。
抗を測定した後、内部が300℃の大気雰囲気であるオ
ーブン中で1時間放置する加速試験を行った。加速試験
後、再びプローブによりCu配線の抵抗を測定したとこ
ろ、バリア層であるTaN膜が充分な酸化防止耐性を有
している場合には加速試験前後でCuダマシン配線の抵
抗に変化はなかった。それに対し、酸化防止耐性が充分
でないためCu配線が酸化してしまった場合には、顕著
な抵抗上昇が観測されていた。
mのCu配線について加速試験後のCu配線の抵抗が試
験前のCu配線の抵抗より上昇しないチップを合格とし
て、ウェハ内での酸化耐性のイールド(合格確率)を求
めた。更にリセスエッチング処理後のCu配線の形状か
ら接触角を求め、イールドとの関係を調べた関係を図6
に示す。
部よりCu配線の側壁部が速くエッチングされて断面形
状が食い込むようになった場合にはその後に形成される
TaN膜の側壁部分でのカバレッジが悪く、分断される
ためCu配線は全て酸化されてイールドは0%である。
接触角が60゜を越える付近から酸化耐性が向上し、7
0゜以上では充分な酸化耐性をウェハ全面で得ることが
できた。
u配線パターンが多数形成されたウェハ上に塗布法によ
り絶縁膜を形成した後、450℃60時間のアニール処
理を行った。塗布型絶縁膜を溶解させて塗布型絶縁膜中
のCu濃度を測定したところ、アニール処理の有無で有
意な差は見られなかった。これらの結果から上部バリア
層であるTaN膜がCu拡散防止層として機能している
ことが確認された。
上述した製造工程を用いて多層配線を形成することによ
りリセスエッチングが配線層の表面から均一に行われる
ことにより、配線層の側壁部の第2のバリアメタル層の
カバレッジが充分得られ、プロセス中に配線層の酸化、
配線層の主構成元素の拡散が抑制されて歩留まりの低下
を抑制することができる。また、ウェハ内でリセス量の
場所依存性や、パターン依存性等が無いので、ウェハ面
内やパターン間で配線抵抗が異なることがなく、所望の
性能が得られる。
る系も存在するが、その場合は酸によるエッチングと同
様、側壁部での進行が速い等の問題が生じる。本発明の
ような均一なエッチング特性を得るためには、上記3つ
の工程が同時に進行することが重要であり、ウェハを回
転させながら薬液を供給する、強制循環させている槽内
にウェハを挿入する等の手段が必須である。
第1の実施形態と異なるのは、CMP処理後のリセスエ
ッチング処理なので、リセスエッチング処理だけについ
て説明する。
理をCMP装置の研磨パッドにて行った後、第1の実施
形態と同様なエッチング液で満たされたCMP装置内に
設けられた洗浄槽内でウェハを150rpmで回転させ
ながらリセスエッチング処理と洗浄処理を同時に行っ
て、凹部を形成した。次に、5分間リンスした後、ウェ
ハを乾燥処理した。リセスエッチング量は、50nm、
ウェハ面内均一性及び断面形状は良好であり、パターン
によるエッチング量の差異は認められなかった。更に、
第2のバリアメタル層であるTaN膜を形成した後、C
MP処理を行って、凹部にTaN膜を埋め込み形成し
た。
後評価を行ったところ、第2のバリア層であるTaN膜
が良好な酸化防止層、Cu拡散防止層として機能してい
ることが確認していることが確認された。
で、平坦化処理からリセスエッチング処理を連続して行
うことで、プロセス時間の短縮を図ることができる。
るものではない。例えば、上記実施形態では、錯体形成
剤としてアミノ酸であるグリシンを含有する希釈過酸化
水素を用いたが、錯体形成剤として他のアミノ酸や、エ
チレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸を希釈過酸化
水素水(酸化剤)に含有させた場合にも、同様に良好な
リセス形状が得られた。また、酸化剤として過硫酸アン
モニウム、オゾン水を用いても良好なリセス形状が得ら
れた。また、配線層を構成する主元素としては、Cu以
外に、Ag,Au,Ptを用いることができる。Cu以
外を用いた場合は、酸化剤、錯体形成剤、溶媒を選ぶ必
要がある。更に、上記元素を主構成元素とする合金にお
いてもエッチング特性に差し支えはない。Cu合金とし
ては、例えばCu−Si合金,Cu−Al合金,Cu−
Si−Al合金,Cu−Ag合金等を用いることができ
る。また、上記実施形態では、第1及び第2のバリアメ
タル層としてTaN膜を用いたが、第1のバリアメタル
層と第2のバリアメタル層とで異なる材料を用いても良
い。また、配線層と第2のバリアメタル層の密着性を改
善するため、配線層表面に前処理を施すことや、他の元
素を含有する層を形成することも可能である。
を行う前に絶縁層上の第1のバリアメタル層材を除去し
たが、リセスエッチング処理後に第1のバリアメタル層
を除去しても良い。例えば、TaN膜17上のCu配線
層材18に対して平坦化処理を行った後(図7
(a))、上記リセスエッチング処理を行ってCuダマ
シン配線18の表面を後退させて凹部19を形成し(図
7(b))、TaN膜20を堆積し(図7(c))、そ
の後、TaN膜20,TaN膜17に対して絶縁層14
の表面が露出するまで平坦化処理を行う(図7
(d))。
範囲で、種々変形して実施することが可能である。
線層を構成する主元素の酸化剤と、配線層を構成する主
元素のイオンと錯体を形成する錯体形成剤と、錯体を溶
解する溶媒とを含むエッチング溶液を用いて該配線層に
対してリセスエッチング処理を行うことにより、配線層
の表面に上述したエッチング液を供給してリセスエッチ
ング処理を行うことにより、酸化剤と配線層の主構成
元素との反応により該主構成元素がイオン化、イオン
化した主構成元素と錯体形成剤との反応により主構成元
素の錯体が形成、形成された錯体が溶媒により溶解除
去、の三つの工程が同時に進行することによりリセスエ
ッチングが配線層の表面から均一に進行と共に、ウェハ
内でリセス量の場所依存性や、パターン依存性等が無く
なる。
に行われることにより、配線層の側壁部の第1のバリア
メタル層のカバレッジが充分得られ、プロセス中に配線
層の酸化、配線層の拡散が抑制されて歩留まりの低下を
抑制することができる。また、ウェハ内でリセス量の場
所依存性や、パターン依存性等が無いので、ウェハ面内
やパターン間で配線抵抗が異なることがなく、所望の性
能が得られる。
を示す工程断面図。
鏡写真。
エッチング処理を行った場合のウェハ内でのリセス量分
布を示す図。
グ処理を行った場合のウェハ内でのリセス量分布を示す
図。
のなす角θの概略を示す断面図。
のなす接触角とイールドとの関係を示す特性図。
す工程断面図。
アメタル層) 18…Cu配線材,Cuダマシン配線(配線層材,配線
層) 19…凹部 20…TaN膜(第2のバリアメタル層材,第2のバリ
アメタル層)
Claims (9)
- 【請求項1】半導体基板上に形成された溝を有する絶縁
層と、 この絶縁層の溝の表面に沿って形成された第1のバリア
メタル層と、 前記絶縁層の溝内に形成され、表面が該絶縁層より低い
配線層と、 この配線層上に形成された第2のバリアメタル層とを具
備し、 前記溝側部における前記配線層の表面と第1のバリアメ
タル層とのなす角が60゜以上であることを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項2】前記配線層を構成する主元素は、Cu、A
g、Au、Ptの何れかであることを特徴とする請求項
1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】半導体基板上の絶縁層に溝を形成する工程
と、 前記絶縁層の表面に沿って第1のバリアメタル層材を形
成する工程と、 第1のバリアメタル層材上に、前記溝内を埋め込むよう
に、配線材を堆積する工程と、 前記配線材の表面に対して平坦化処理を行い、前記溝内
に第1のバリアメタル層及び配線層を埋め込み形成する
工程と、 前記配線層を構成する主元素と反応する酸化剤と、前記
配線層を構成する主元素のイオンと錯体を形成する錯体
形成剤と、前記錯体を溶解する溶媒とを含むエッチング
溶液を用いて該配線層に対してリセスエッチング処理を
行って、該配線材の表面を後退させて凹部を形成する工
程と、 前記配線材及び絶縁層上に前記凹部を埋め込むように第
2のバリアメタル層材を形成する工程と、 第2のバリアメタル層材の表面を、前記絶縁層の表面が
露出するまで平坦化し、前記凹部に前記第2のバリアメ
タル層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体
装置の製造方法。 - 【請求項4】前記酸化剤が、過酸化水素水、過硫酸アン
モニウム、オゾン水、の中から1種類以上選ばれている
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項5】前記錯体形成剤が、アミノ酸,エチレンジ
アミン,エチレンジアミン四錯体、アミノスルホン酸の
なから1種類以上選ばれていることを特徴とする請求項
3に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】前記アミノ酸がグリシンであることを特徴
とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】前記溶媒が水であることを特徴とする請求
項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】前記リセスエッチング処理は、前記平坦化
処理を行う平坦化装置内で連続して行われることを特徴
とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】前記リセスエッチング処理は、前記平坦化
処理後に行われる洗浄工程での処理槽にて行われること
を特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
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| JP2000016189A JP3772059B2 (ja) | 2000-01-25 | 2000-01-25 | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 |
| TW090101288A TW490718B (en) | 2000-01-25 | 2001-01-19 | Semiconductor device and the manufacturing method thereof |
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| KR10-2001-0003717A KR100419272B1 (ko) | 2000-01-25 | 2001-01-26 | 반도체 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 |
| US10/424,856 US20030214010A1 (en) | 2000-01-25 | 2003-04-29 | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
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